UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
MILTON GONTIJO FERREIRA JÚNIOR
CONTROLE DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA VIA CLP
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2012
MILTON GONTIJO FERREIRA JÚNIOR
CONTROLE DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA VIA CLP
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação da
Universidade Federal de Ouro Preto como parte
dos requisitos para a obtenção do Grau de
Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Henor Artur de Souza
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Agosto/2012
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por possibilitar essa conquista.
Aos meus pais, Milton e Leninha, que sempre me apoiaram em minhas decisões e são grandes
responsáveis por essa vitória. Às minhas irmãs, Raiane e Rejane, que são meus exemplos de
vida, pois sempre enfrentaram seus desafios de cabeça erguida. À minha namorada, Carol,
pelo amor, compreensão e paciência que sempre me dedicou. A toda minha família que
sempre depositou sua confiança em mim.
À República Laje, em especial ao André, Glauco e Luiz Felipe que se tornaram minha família
em Ouro Preto. Agradeço ao amigo Mário Sérgio pelo auxílio durante esse trabalho. A todos
os professores com os quais tive o prazer de aprender, em especial ao meu orientador Henor
pela oportunidade e ajuda nesse trabalho.
“O sucesso é um inimigo perverso. Ele seduz as
pessoas inteligentes e as faz pensar que jamais vão
cair.”
(Bill Gates)
RESUMO
O controle de processos industriais é de fundamental importância para o crescimento e
sobrevivência das empresas uma vez que um controle eficiente produz ganhos significativos
de qualidade e produtividade. Nesse trabalho apresenta-se um exemplo simplificado de
controle de processo, no caso o controle de um inversor de frequência por meio de um
Controlador Lógico Programável (CLP), para tornar esse controle possível desenvolve-se um
sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). O objeto do trabalho é o
controle da velocidade do ar no interior de um túnel de vento de pequenas dimensões,
existente no Laboratório de Transferência de Calor e Massa da Escola de Minas, UFOP,
gerado por um motor de indução acionado por um inversor de frequência. A partir da
aplicação do controle é possível visualizar o valor da velocidade e mantê-la num valor
desejado. A visualização do valor é obtida por meio de um transmissor de velocidade na saída
do túnel que faz com que o sistema SCADA seja capaz de monitorar o valor em tempo real,
tornando-se possível o ajuste da velocidade no valor desejado. Os resultados obtidos
demonstram a eficácia do sistema de controle proposto, uma vez que foi possível o controle
do motor e, consequentemente, o ajuste da velocidade do ar de forma satisfatória.
Palavras chaves: CLP, controle, SCADA.
ABSTRACT
The industrial process control is essential for growth and survival of businesses as an efficient
control produces significant gains in quality and productivity. In this work present a
simplified example of process control, where control of a frequency inverter via a
Programmable Logic Controller (PLC), to make this possible, develops a SCADA system
(Supervisory Control and Data Acquisition). The object of this work is to control the air
velocity within a small wind tunnel, from the Laboratory of Heat and Mass Transfer of the
School of Mines, UFOP, generated by an induction motor driven by a frequency inverter.
From the application of control you can see the value of speed and keep it in a desired value.
The display value is obtained by a transmitter speed in the tunnel output that allows the
SCADA system be able to monitor the value in real time, making it possible to adjust the
speed at the desired value. The results demonstrate the effectiveness of the proposed control,
since it is possible to control the motor and consequently the wind speed setting satisfactorily.
Keywords: PLC, control, SCADA.
LISTA DE ABREVIATURAS
CLP
Controlador Lógico Programável
CPU
Central Processing Unit
DSC
Datalogging and Supervisory Control
EPROM
Erasable Programmable Read Only Memory
IHM
Interface Homem Máquina
OLE
Object Linking and Embedding
OPC
OLE for Process Control
PLC
Programmable Logic Controller
RAM
Random Access Memory
ROM
Read Only Memory
SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
UV
Ultravioleta
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Princípio de funcionamento .................................................................................16
Figura 2.2 – CLP GE Fanuc Versamax ...................................................................................17
Figura 2.3 – CLP Versamax .....................................................................................................17
Figura 2.4 – Tela Inicial CIMPLICITY Machine Edition ........................................................19
Figura 2.5 – Lógica de programação........................................................................................20
Figura 3.1 – Localização das conexões de potência, aterramento e controle ..........................22
Figura 3.2 – Posição dos jumpers para seleção
das entradas e saídas analógicas e entradas digitais..................................................................26
Figura 3.3 – Borne de Controle XC1 .......................................................................................26
Figura 4.1 – Motor de Indução .................................................................................................28
Figura 4.2 – Imã permanente suspenso por um fio ..................................................................28
Figura 4.3 – Transmissor de Velocidade CTV100 com display ..............................................30
Figura 4.4 – Arquitetura Cliente/Servidor OPC .......................................................................32
Figura 4.5 – Tela inicial MatrikonOPC Server for GE PLCs ..................................................32
Figura 5.1 – Tela do Sistema SCADA .....................................................................................33
Figura 6.2 – Aparato Experimental ..........................................................................................33
Figura 5.3 – Lógica do Botão Liga/Desliga Geral ...................................................................34
Figura 5.4 – Lógica do Setpoint ...............................................................................................35
Figura 5.5 – Lógica do Gráfico Velocidade do Vento .............................................................35
Figura 5.6 – Evolução Temporal da Velocidade do Vento.......................................................36
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Norma Internacional de Endereçamento .............................................................21
LISTA DE QUADROS
Quadro 2.1 – Comandos da Linguagem Ladder ......................................................................19
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 13
1.1 Objetivo ......................................................................................................................... 14
1.2 Metodologia ................................................................................................................... 14
1.3 Estrutura do Trabalho ..................................................................................................... 14
2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .......................................................... 15
2.1 Histórico ........................................................................................................................ 15
2.2 Princípio de Funcionamento ........................................................................................... 16
2.3 CLP GE Fanuc Versamax.............................................................................................. 16
2.4 Programação .................................................................................................................. 19
3 INVERSOR DE FREQUÊNCIA .................................................................................... 22
3.1 Parâmetros ..................................................................................................................... 23
3.1.1 Parâmetros de leitura ................................................................................................... 23
3.1.2 Parâmetros de regulação .............................................................................................. 24
3.1.3 Parâmetros de configuração ......................................................................................... 24
3.1.4 Parâmetros do motor ................................................................................................... 25
3.2 Configuração das entradas .............................................................................................. 25
3.3 Controle XC1 ................................................................................................................. 26
4 MOTOR DE INDUÇÃO E SISTEMA SUPERVISÓRIO ............................................. 28
4.1 Motor de Indução ........................................................................................................... 28
4.1.1 Princípio de Funcionamento ........................................................................................ 28
4.1.2 Controle de Velocidade ............................................................................................... 29
4.2 Transmissor de Velocidade ............................................................................................ 29
4.3 Sistema Supervisório ...................................................................................................... 30
4.3.1 LabVIEW.................................................................................................................... 31
4.3.2 Comunicação OPC ...................................................................................................... 31
5 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO .......................................... 33
5.1 Cliente/Servidor OPC..................................................................................................... 34
5.2 Lógica do LabVIEW ....................................................................................................... 34
5.3 Resultados...................................................................................................................... 35
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................... 37
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................................. 38
1 INTRODUÇÃO
Há uma necessidade cada vez maior do controle de processos industriais, tanto para melhoria
da qualidade e da produtividade como para proporcionar maior confiabilidade dos processos,
além de dar maior segurança aos operadores. É nesse contexto que se desenvolve a automação
industrial que tem por objetivo a melhoria de processos desde a redução do consumo de
matérias primas até melhorias nas condições de segurança.
Os instrumentos e equipamentos voltados para o controle de processos evoluíram muito desde
os primeiros instrumentos mecânicos, onde o controle era realizado localmente. A partir de
1940 surgiram os instrumentos pneumáticos que já eram capazes de enviar a distância sinais
relativos às variáveis de processo, permitindo a concentração de controladores em uma única
área, originando as salas de controle. A partir de 1950 surgiram os instrumentos eletrônicos
analógicos que aumentaram a distância para emissão de sinais, além de simplificar sua
transmissão, enquanto os instrumentos eletrônicos digitais, a partir de 1970, elevaram o grau
de automação dos processos (AUTOMAÇÃO..., 2012).
Nesse projeto tem-se o controle um inversor de frequência via Controlador Lógico
Programável (CLP). O CLP é um dispositivo com diversas aplicações na automação e sua
estrutura é similar à de um computador pessoal, possuindo unidade central de processamento,
memória e barramento de dados. A maior diferença está nos módulos de entrada/saída, que
fazem a comunicação com o ambiente externo.
Os CLPs não possuem uma Interface Homem-Máquina (IHM) padrão, sendo necessário criar
tal interface por meio de programas específicos para esse fim, os chamados Sistemas
Supervisórios, ou Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), que são programas
criados para o monitoramento de processos. O termo controle supervisório está associado com
os processos industriais, onde gerencia as atividades de unidades operacionais integradas para
atingir determinados objetivos econômicos para o processo, e com a automação da
manufatura, onde coordena as atividades de vários equipamentos que interagem em células de
manufatura ou sistemas (GROOVER, 2008). Pode-se utilizar diversos programas para criação
do referido sistema. Neste trabalho utiliza-se o LabVIEW.
14
1.1 Objetivo
Propor um sistema supervisório que permita o controle de um inversor de frequência por meio
do uso de um CLP, possibilitando o monitoramento e ajuste de um fluxo de ar gerado por um
motor de indução.
1.2 Metodologia
Utiliza-se para montagem do trabalho a prática “Determinação do coeficiente de transferência
de calor por convecção para placas horizontais e inclinadas”, disponível no Laboratório de
Transferência de Calor e Massa (LTCM) da Escola de Minas da Universidade Federal de
Ouro Preto, em conjunto com um CLP. Nessa montagem um motor de indução, acionado por
um inversor e controlado pelo CLP, gera um fluxo de ar no interior de um túnel de vento. Para
facilitar a visualização desse sistema, é construído um sistema supervisório utilizando o
software LabVIEW. Utiliza-se um CLP programado segundo a lógica Ladder para controlar o
processo.
1.3 Estrutura do Trabalho
O trabalho foi dividido em 6 capítulos. No capítulo 1 apresenta-se uma breve introdução ao
tema, o objetivo e a metodologia utilizada para a realização do trabalho.
Nos capítulos 2 a 4 descreve-se todo o aparato experimental utilizado: o controlador lógico
programável, o inversor de frequência e o motor de indução juntamente com o transmissor de
velocidade e o sistema supervisório.
No capítulo 5 trata-se do desenvolvimento do sistema supervisório e mostram-se os resultados
obtidos no trabalho.
No capítulo 6 é feita a conclusão, expondo os pontos positivos e os pontos a serem
melhorados no trabalho, bem como as dificuldades encontradas em sua execução.
2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Segundo a Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC, 1993) Controlador Lógico
programável é definido como:
Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que
usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o
usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial, temporização,
contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários
tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são
projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente
usados em todas suas funções previstas.
2.1 Histórico
Os sistemas de controle tiveram início no final do século XIX, durante a Revolução
Industrial, por meio de dispositivos mecânicos que tinham por objetivo automatizar uma
determinada tarefa. Na década de 1920, esses dispositivos foram substituídos por relés e
contatores que possibilitaram o desenvolvimento de sistemas mais complexos. Já com o
desenvolvimento dos circuitos integrados (CIs), surgiu uma nova geração de sistemas
de controle que, por serem menores, mais rápidos e pela maior vida útil, foram muito
utilizados em conjunto com os relés, sendo definida uma lógica de controle por meio de
interligações elétricas, mais fáceis de implementar e mais difíceis de se alterar
(FRANCHI; CAMARGO, 2009).
Somente em 1968, na empresa General Motors Corporation, houve a primeira
experiência de sistemas de controle que utilizassem uma programação via software,
dando início à era dos controladores lógico programáveis (SILVEIRA; SANTOS,
2007). Algumas das principais vantagens advindas dessa nova tecnologia, em
comparação com o painel de relés, foram:
a) menor espaço físico necessário;
b) facilidade em realizar alterações na programação;
c) possibilidade de expansão no número de entradas e saídas;
d) maior confiabilidade;
16
e) possibilidade de comunicação com diversos tipos de equipamentos.
2.2 Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento do CLP é mostrado na Figura 2.1, e explicado em
seguida.
Figura 2.1 – Princípio de funcionamento
Fonte: UFBA, 2000.
A cada ciclo de varredura o CLP realiza a leitura de todas as entradas, verificando o
estado de cada uma, armazenando os resultados obtidos em uma região da memória
chamada de “tabela de imagem das entradas” e executa a lógica de controle presente no
programa. Em seguida, atualiza o estado da tabela de imagem das saídas, também de
acordo com a lógica de controle, e inicia-se um novo ciclo.
2.3 CLP GE Fanuc Versamax
Optou-se para esse trabalho pelo GE Fanuc Versamax, ilustrado na Figura 2.2, que pode
ser utilizado em diversas aplicações, fazendo-se uso de diferentes quantidades e tipos de
módulos.
17
Figura 2.2 – CLP GE Fanuc Versamax
Basicamente, um CLP é composto por uma fonte de alimentação, uma Central
Processing Unit (CPU), memórias, sistema operacional, módulos de entrada e saída e
terminal de programação, conforme ilustrado na figura 2.3.
Figura 2.3 – CLP Versamax
Fonte: CARRILHO, 2012.
A fonte de alimentação é responsável por retificar a corrente elétrica de maneira a
permitir que ela seja utilizada pelo CLP. Pelo fato do CLP não possuir uma bateria
auxiliar, ele irá preservar somente aqueles dados contidos na memória EPROM.
A CPU, composta por processador, sistema de memórias ROM e RAM e circuitos
auxiliares de controle, é responsável pela lógica de funcionamento dos circuitos do
CLP.
O processador interage de forma contínua com o sistema de memória, analisa e executa
o programa de aplicação desenvolvido pelo usuário, e gerencia todo o sistema. Os
circuitos auxiliares de controle operam sobre os barramentos de dados, de controle e de
endereços, de acordo com o que o processador requer, de forma análoga a um sistema
convencional de microprocessadores (NAKAYGAWA, 2009).
18
As memórias possibilitam a leitura e gravação de dados por meio de circuitos integrados
e podem ser divididas de acordo com suas características e funções.

RAM (Random Access Memory) – é uma memória volátil (perde seu conteúdo
na ausência de alimentação). Pode ser escrita e lida em qualquer momento no
microprocessador. Nos CLPs são utilizadas para formar uma área de
armazenamento temporário.

ROM (Read Only Memory) – é uma memória não-volátil. É escrita de modo
definitivo pelo construtor, que a introduz e a disponibiliza para tarefas
específicas, podendo ser lida apenas pelo microprocessador. Na ausência de
energia elétrica o conteúdo dessa memória não se perde.

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) – memória não-volátil
que permite que dados sejam regravados no dispositivo por meio da exposição a
raios ultravioleta (UV), que agem sobre a memória atravessando uma pequena
janela do chip.
Todas as operações da CPU são executadas pelo Sistema Operacional que é gravado na
memória ROM. Tal sistema pode ser alterado pelo fabricante do CLP e é responsável
por administrar o autodiagnóstico (em caso de mau funcionamento), a proteção de
dados (em caso de falta de energia elétrica) e a função de interrupção.
Os módulos de entrada e saída são compostos por dispositivos apropriados de forma a
permitir a comunicação do CLP com os sinais de entrada e saída provenientes do
sistema. Nesse projeto utiliza-se um módulo entrada analógica responsável pela
obtenção das medições realizadas pelo sensor de velocidade, um módulo de saída
analógica responsável pela emissão do sinal de controle do inversor de frequência e um
módulo de saída digital que tem como única finalidade habilitar ou desabilitar o
inversor de frequência, ou seja, ele responde pela função liga/desliga do sistema, o que
faz com que esse módulo seja o responsável pelo acionamento remoto do experimento.
O terminal de programação permite a comunicação entre o usuário e o CLP, podendo
ser um teclado ou display com poucas funções ou até mesmo um microcomputador com
um software aplicativo e funções complexas. Suas principais características são:
19
autodiagnóstico, alteração de dados on-line, programação de instruções, monitoramento
de dados e gravação e apagamento de memória (SCHMIDT, 2008).
2.4 Programação
Para a implementação da lógica de programação é utilizada a linguagem Ladder, onde
as funções lógicas são representadas através de contatos e bobinas. O software utilizado
é o CIMPLICITY Machine Edition, que é apresentado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Tela Inicial CIMPLICITY Machine Edition
No quadro 2.1 estão ilustrados e comentados os principais comandos da linguagem
Ladder.
Quadro 2.1 – Comandos da Linguagem Ladder
Contato normalmente aberto envia sinal somente quando é acionado.
Contato normalmente fechado envia sinal durante todo tempo em que não é
acionado. Quando acionado deixará de enviar o sinal.
Bobina vazia a saída só se mantém ativada, se um sinal for mantido
constantemente para mantê-la ligada.
Bobina reset desliga uma saída quando é excita com um sinal.
20
Bobina set liga uma saída quando é excitada com um sinal.
Multiplica um ponto flutuante (REAL) operando IN1 por outro IN2, e
armazena o produto na variável de saída atribuída a Q.
Multiplica um ponto flutuante (REAL) operando IN1 por outro IN2, e
armazena o produto na variável de saída atribuída a Q.
Compara dois pontos flutuantes (REAL). Se IN1 maior ou igual a IN2,
energiza a saída Q. Se IN1 é menor que IN2, limpa Q.
Transfere a execução do programa para o início de outro bloco (um C, IL,
LD ou bloco). Quando terminar o chamado bloco, a execução continua no
bloco chamado imediatamente após a instrução CALL.
Na Figura 2.5 apresenta-se parte da lógica implementada no CIMPLICITY, onde estão
ilustradas algumas das ações que o programa terá de realizar durante a execução do
mesmo.
Figura 2.5 – Lógica de programação
21
Para que a lógica apresentada na Figura 2.5 funcione é necessário realizar o
endereçamento de todos os componentes presentes no programa, isso pode ocorrer de
duas maneiras, vinculando a variável (bobina/contato) ao equipamento físico ou
relacionando uma variável à outra (chave/botoeira) dentro do próprio programa. Cada
fabricante utiliza uma forma de endereçamento, a norma internacional recomenda as
convenções mostradas na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Norma Internacional de Endereçamento
Descrição
Representação
Bits de entrada
%I
Bits de saída
%Q
Bits internos
%M
Bits do sistema
%S
Bits de temporizadores
%TM
Bits de contatores
%C
3 INVERSOR DE FREQUÊNCIA
Um inversor de freqüência é um dispositivo destinado ao controle e variação da
velocidade de motores de indução trifásicos, para isso ele é capaz de gerar tensão e
freqüência trifásicas ajustáveis. Em conseqüência dessa capacidade, os inversores
possibilitam um acionamento suave do motor evitando possíveis quebras. Também
podem ser utilizados como dispositivos de segurança para problemas da rede elétrica,
como sobrecarga, queda de tensão, entre outros. Segundo Capelli (2002), a função de
um inversor de frequência não se limita a controlar a velocidade de um motor, ele
precisa também manter o torque constante para que não haja alteração na rotação.
Neste trabalho utiliza-se o inversor de freqüência modelo Web CFW 08 juntamente com
o cartão de controle XC1, que permite o controle do mesmo por um CLP. Na Figura 3.1
ilustra-se o inversor utilizado e a localização das conexões de aterramento, potência e
controle do XC1.
Figura 3.1 – Localização das conexões de potência, aterramento e controle
Fonte: WEG, 2012.
Segundo Capelli (2002) os inversores são classificados em quatro blocos: CPU; IHM;
Interfaces; e Etapa de potência.
A CPU de um inversor de freqüência pode ser formada tanto por um microprocessador
quanto por um microcontrolador, como o CLP, além de uma memória integrada que
armazena todos os parâmetros e dados do sistema. A IHM torna possível a visualização
23
das ações do inversor além de permitir sua parametrização, que será abordada mais a
frente.
A maior parte dos inversores pode ser comandada por meio de dois tipos sinais:
analógicos ou digitais. Quando se deseja o controle da velocidade de rotação de um
motor, que é o caso desse projeto, normalmente utiliza-se um sinal analógico de
comando, onde a velocidade de rotação é proporcional ao seu valor.
A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta o circuito de
saída do inversor através de um circuito intermediário chamado barramento DC.
3.1 Parâmetros
Segundo Capelli (2002) para que o inversor funcione de forma satisfatória, não basta
instalá-lo corretamente, é preciso informá-lo em que condições de trabalho ele irá
operar, o que consiste na parametrização do inversor. Quanto maior o número de
recursos que o inversor oferece, maior será o número de parâmetros disponíveis.
Conforme visto anteriormente, esses parâmetros são acessíveis por meio da IHM do
inversor. Para alterar seus valores é necessário, no parâmetro P000, inserir o número 5,
dessa forma é possível realizar as modificações. Caso não seja definido esse valor para
tal parâmetro, os dados estarão acessíveis apenas para visualização.
Os parâmetros são agrupados pelas seguintes características:

parâmetros de leitura;

parâmetros de regulação;

parâmetros de configuração;

parâmetros do motor.
3.1.1 Parâmetros de leitura
Os parâmetros de leitura são variáveis que podem ser visualizadas no display, mas não
podem ser alteradas pelo usuário e que permitem visualizar os valores programados nos
parâmetros de regulação, configuração e do motor. Como exemplos, têm-se:
24

P001 - Referência de Velocidade. Indica o valor da referência de velocidade
antes da rampa. Indicação em rpm;

P002 - Velocidade do Motor. Indica o valor da velocidade real, em rpm;

P003 - Corrente do motor. Indica a corrente de saída do inversor em ampères;

P004 - Tensão do circuito intermediário. Indica a tensão atual no circuito
intermediário de corrente contínua, em Volts;

P005 – Frequência de saída do inversor, em hertz (Hz).
3.1.2 Parâmetros de regulação
Os parâmetros de regulação consistem em valores ajustáveis a serem utilizados pelas
funções do inversor. Como exemplos, têm-se:

P100 - Tempo de aceleração. Define o tempo para acelerar linearmente de 0 até
a frequência nominal;

P101 - Tempo de desaceleração. Define o tempo para desacelerar linearmente da
frequência nominal até zero;

P133 - Referência mínima. Define o valor mínimo da frequência na saída
quando o inversor é habilitado;

P134 – Referência máxima. Define o valor máximo da frequência na saída
quando o inversor é habilitado.
3.1.3 Parâmetros de configuração
Os parâmetros de configuração definem as características do inversor e as funções a
serem executadas. Como exemplos, têm-se:

P202 – Tipo de controle. Define o modo de controle do inversor;

P204 – Reprograma todos os parâmetros para os valores do padrão de fábrica;
25

P205 – Seleção do parâmetro de leitura indicado. Seleciona qual parâmetro de
leitura será mostrado no display, após a energização do inversor;

P220 – Define como é feita a seleção entre a situação local e a situação remoto.
3.1.4 Parâmetros do motor
Os parâmetros do motor definem as características nominais do motor a ser utilizado em
conjunto com o inversor, como exemplos, têm-se:

P399 – Rendimento nominal do motor;

P400 – Tensão nominal do motor;

P401 – Corrente nominal do motor;

P402 – Velocidade nominal do motor;

P403 – Frequência nominal do motor;

P404 – Potência nominal do motor;

P405 – Fator de potência nominal do motor.
3.2 Configuração das entradas
O inversor utilizado tem como configuração de fábrica a entrada analógica em tensão (0
a 10Vcc), para adaptá-lo à realidade do trabalho, em que o cartão de saída analógico
utiliza saída em corrente (4 a 20mA), foi realizada uma alteração no parâmetro AI1,
alterando o seu estado de OFF para ON. Na Figura 3.2 apresenta-se a posição dos
jumpers que configuram a seleção das entradas e saídas analógicas e as entradas
digitais.
26
Figura 3.2 – Posição dos jumpers para seleção das entradas e saídas analógicas e entradas digitais
Fonte: WEG, 2012.
3.3 Controle XC1
A comunicação entre o inversor de freqüência e o CLP se dá por meio da conexão de
controle XC1. Na Figura 3.3 têm-se todos os pontos de conexão.
Figura 3.3 – Borne de Controle XC1
Fonte: WEG, 2012.
Nesse trabalho utilizam-se as conexões: DI1, DI3, COM, e AI1. A conexão DI1 é a
responsável por habilitar/desabilitar o inversor e é conectada ao módulo de saída digital
do CLP. Já a conexão DI3 é a responsável pelo reset do inversor e é conectado com a
27
DI1 do próprio inversor. As conexões COM e AI1 são conectadas ao módulo de saída
analógica do CLP.
3.4 Instalação do Inversor de Frequência
Para instalação do inversor uma regra comum a todos os modelos e aplicações é tomar
cuidado para não confundir os bornes de entrada de energia (R, S e T), com a saída para
o motor (U, V e W). Com exceção dessa regra, o restante da instalação depende do
modelo e da aplicação. Na Figura 3.4 tem-se o diagrama de ligação simples do inversor
utilizado com a rede de energia e com o motor.
Figura 3.4 – Diagrama de Ligação
Fonte: WEG, 2009b.
4 MOTOR DE INDUÇÃO E SISTEMA SUPERVISÓRIO
4.1 Motor de Indução
O motor de indução trifásico é o motor mais comum presente em instalações industriais
devido à sua robustez, baixos custos de compra e manutenção, funcionamento simples e
elevada vida útil. Foi inventado por Nikola Tesla em 1886, na França. Na Figura 4.1
ilustra-se o motor utilizado neste projeto.
Figura 4.1 – Motor de Indução
Fonte: WEG, 2012.
4.1.1 Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento de um motor de indução pode ser exemplificado por um
imã em formato de ferradura, suspenso por um fio, sob o qual há um disco metálico
livre para girar sobre seu eixo, o que é ilustrado na figura 4.2. Conforme o imã gira no
fio, o disco abaixo irá girar independente do sentido de rotação do imã. O disco segue o
sentido do imã devido às correntes parasitas induzidas que surgem pelo movimento
relativo do disco em relação ao campo magnético.
Figura 4.2 – Imã permanente suspenso por um fio
Fonte: MOTORES..., 2001
29
A Lei de Lenz explica o sentido contrário da corrente parasita induzida que irá produzir
o campo que tenderá a se opor a força, ou seja, ao movimento que produziu a tensão
induzida. Estas correntes parasitas tenderão a criar sob o polo N do imã um polo S no
disco e sob o polo S do imã um polo N no disco. Enquanto durar o movimento, que
produz as correntes parasitas, estes pólos serão criados no disco. O disco desta maneira
irá girar no mesmo sentido do imã pela atração existente entre estes pares de polos que
tenderão a alinhar-se.
4.1.2 Controle de Velocidade
Para algumas aplicações é necessário controlar a velocidade de acionamento da carga.
Um modo bastante utilizado para variar de maneira controlada a velocidade de motores
de corrente alternada é por meio da frequência da tensão de alimentação. Sabe-se que a
velocidade do campo girante é diretamente proporcional ao valor da frequência da fonte
de alimentação e que a velocidade do motor depende da velocidade do campo girante.
Essa variação de frequência é obtida por meio de um inversor, que deve ser instalado
entre a fonte de tensão e o motor.
4.2 Transmissor de Velocidade
A velocidade do ar no interior do túnel de vento poderia ser calculada de diversas
formas, todas derivadas da velocidade de rotação do motor. Mas para esse projeto
optou-se pela utilização de um transmissor de velocidade, eliminando a necessidade de
cálculos complexos.
O transmissor utilizado foi o CTV100, de fabricação da KIMO Instruments. Tal
instrumento não possui um display para a visualização da velocidade, fazendo-se
necessário a utilização de um anemômetro de fio quente, equipado com display, para
calibrar os sinais enviados pelo transmissor (4 a 20mA). Na Figura 4.3 ilustra-se o
transmissor com display.
Com a calibração realizada, o transmissor torna o processo de controle da velocidade
mais confiável, por permitir a visualização do valor da velocidade em tempo real. Por
não se tratar de um sistema em malha fechada, o sensor tem como finalidade indicar o
30
valor da velocidade do ar, de modo a permitir a verificação da lógica implementada no
CIMPLICITY.
Figura 4.3 – Transmissor de Velocidade CTV100 com display
Fonte: ROMIOTTO, 2012
4.3 Sistema Supervisório
Os sistemas supervisórios são programas que permitem a aquisição e monitoramento de
dados e variáveis de um processo industrial, tendo como principal objetivo uma
interface de alto nível entre o operador e o processo possibilitando um monitoramento
do mesmo em “tempo real”.
Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um
processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos
de aquisição de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e, posteriormente,
apresentadas
ao
usuário.
Estes
sistemas
também
são
chamados
de
SCADA
(SILVA; SALVADOR, 2005).
Um sistema supervisório, ou SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), é
constituído por um número de unidades terminais remotas, RTUs, que são responsáveis
pelo monitoramento dos equipamentos distantes da estação central. Nesse projeto é
utilizado como RTU o CLP, o que é muito comum devido algumas vantagens:

solução econômica;

versatilidade e flexibilidade;

facilidade de projeto e instalação;
31

fisicamente compacto;

controle avançado;

simples diagnóstico e detecção de falhas.
Existem diversos softwares para criação dos sistemas SCADA disponíveis no mercado,
para esse trabalho utiliza-se o LabVIEW.
4.3.1 LabVIEW
O LabVIEW é um software de design de sistema que fornece as ferramentas necessárias
para criar e implementar sistemas de medição e controle por meio da integração de
hardware. Os programas desenvolvidos em LabVIEW são chamados instrumentos
virtuais, VI’s (Virtual Instruments), pois sua aparência e operação simulam instrumentos
físicos, como osciloscópios e multímetros (NATIONAL, 2010).
Esse software permite a construção de uma IHM/SCADA de forma simples, uma vez
que a mesma é implementada por meio de ícones ao invés de linhas de comando.
Nesse projeto foi utilizado o toolkit DSC (Datalogging and Supervisory Control), que
permite a criação de supervisórios utilizando o LabVIEW. Por meio deste software é
possível acompanhar variáveis de processo em tempo real, alarmes e administrar
eventos.
O módulo DSC também permite a comunicação do LabVIEW com uma
variedade de CLPs, por meio da comunicação OPC (OLE for Process Control).
4.3.2 Comunicação OPC
O padrão OPC surgiu para estabelecer a troca de dados em tempo real e reduzir os
problemas relativos à compatibilidade de comunicação e à complexidade no
desenvolvimento de drivers específicos para cada dispositivo. A organização que
gerencia esse padrão é a OPC Foundation que possui atualmente cerca de 470 membros
ao longo do mundo, incluindo a maioria dos principais fornecedores mundiais de
sistemas de controle, instrumentação e automação (OPC, 2012).
Esse padrão baseia-se na comunicação cliente/servidor, na qual o servidor é o software
que contém o driver responsável pela comunicação com o equipamento, o que faz com
que o servidor consiga gerenciar os dados enviados e recebidos pelo equipamento de
32
forma a permitir que os clientes possam acessar ou alterar dados no próprio servidor. Na
Figura 4.4 ilustra-se a arquitetura cliente/servidor OPC.
Figura 4.4 – Arquitetura Cliente/Servidor OPC
Fonte: PUDA, 2008.
Existem diversos servidores OPC disponíveis no mercado, para esse projeto utilizou-se
o servidor MatrikonOPC Server for GE PLCs, que possui os drivers necessários para a
comunicação com CLP utilizado nesse projeto. O servidor Matrikon esta ilustrado na
Figura 4.5.
Figura 4.5 – Tela inicial MatrikonOPC Server for GE PLCs
5 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO
Desenvolve-se um Sistema SCADA para o acionamento e monitoramento remoto da
prática “Determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção para
placas horizontais e inclinadas” presente no LTCM. Tal sistema permite realizar as
funções de liga/desliga do projeto e ajuste do fluxo de ar no valor desejado.
Na Figura 5.1 mostra-se a tela de monitoramento do Sistema Supervisório, onde é
possível visualizar por meio de um gráfico a resposta do inversor ao ajuste do setpoint
da velocidade, além da visualização em tempo real do valor “lido” pelo transmissor
instalado na saída do túnel de vento, como mostrado na Figura 5.2.
Figura 5.1 – Tela do Sistema SCADA
34
Figura 5.2 – Aparato Experimental
5.1 Cliente/Servidor OPC
Com a lógica de programação no CIMPLICITY definida, se faz necessário a vinculação
das variáveis presentes em tal lógica com as variáveis a serem utilizadas pelo
supervisório. Para tal vínculo é que se faz necessário o uso do servidor OPC.
No MatrikonOPC Server for GE PLCs criasse dois tipos de objetos, Consumer e
Producer, o primeiro irá receber e o segundo enviar dados para o CLP. Para cada objeto
é necessário configurar as variáveis de forma idêntica ao CLP, observando que o objeto
Consumer é composto pelas varáveis produzidas pelo CLP e o objeto Producer pelas
variáveis consumidas pelo CLP.
Com o servidor OPC finalizado é necessário criar o cliente OPC, que irá permitir a
comunicação entre o servidor e o LabVIEW. O cliente OPC é criado no próprio
LabVIEW e ao fim dessa criação as variáveis configuradas no Matrikon estarão
disponíveis para utilização no supervisório.
5.2 Lógica do LabVIEW
Foi desenvolvida uma lógica de programação para o desenvolvimento do sistema
supervisório, cujas principais funções são apresentadas a seguir.
Na Figura 5.3 mostra-se a lógica de implementação do botão liga/desliga do sistema, ele
é responsável por ativar o inversor deixando-o pronto para receber o valor da velocidade
de vento que se deseja como setpoint.
Figura 5.3 – Lógica do Botão Liga/Desliga Geral
Com o botão liga/desliga geral ativado, é necessário indicar a velocidade desejada,
setpoint, para que o motor inicie o seu funcionamento. Na Figura 5.4 mostra-se a lógica
de implementação do setpoint, onde é possível verificar que antes do envio desse valor
ao CLP é necessária uma conversão do valor do setpoint.
35
Figura 5.4 – Lógica do Setpoint
Com o sistema ligado e o setpoint definido, o motor passa a operar de forma
proporcional à velocidade desejada, garantindo que o fluxo de ar na saída do túnel esteja
no valor esperado. Para se ter uma garantia que o motor está operando de forma a
cumprir essa condição é que entra em operação o transmissor, que permite a
visualização do valor da velocidade em tempo real no sistema SCADA. O valor obtido
pelo sensor também necessita de uma conversão antes de ser exibido no supervisório.
Na Figura 5.5 ilustra-se tal lógica.
Figura 5.5 – Lógica do Gráfico Velocidade do Vento
5.3 Resultados
Na Figura 5.6 mostra-se o comportamento do sistema, onde o valor do setpoint altera-se
de forma manual por meio do sistema SCADA. A velocidade máxima na saída do túnel
é 0,9m/s. Pode-se observar que o sistema é capaz de manter a velocidade estável. As
oscilações visualizadas na curva mostrada na Figura 5.6 são derivadas de ruídos
causados pela vibração no túnel de vento e, consequentemente, do instrumento de
medição do transmissor de velocidade.
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
2,8
5,6
8,4
11,2
14
16,8
19,6
22,4
25,2
28
30,8
33,6
36,4
39,2
42
44,8
47,6
50,4
53,2
56
58,8
61,6
64,4
67,2
70
72,801
75,601
78,4
Velocidade (m/s)
36
Tempo (s)
Figura 5.6 – Evolução Temporal da Velocidade do Vento
Observando-se a curva apresentada na Figura 5.6 é possível verificar a eficácia do
controle, pois o sistema desenvolvido permitiu o controle do inversor de frequência pelo
CLP, fato comprovado pela manutenção da velocidade do ar, gerado pelo motor, no
valor desejado.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como o sistema apresentou oscilações decorrentes da vibração do túnel de vento e, em
consequência, do transmissor de velocidade, sugere-se para melhoria do sistema a
fixação do instrumento de medição do transmissor em uma posição central ao longo do
túnel, fazendo-se uso de elementos que amorteçam essa vibração. Pode-se também
inserir, no LabVIEW, um filtro passa-baixa no sinal oriundo do transmissor, ajustandoo para filtrar altas freqüências (ruídos).
Para trabalhos futuros pode-se implementar um controle realimentado de forma a
garantir que o sistema controle a velocidade do ar de forma independente de
perturbações.
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39
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